10.3. Принцип действия и работа электросчетчиков

Книга: Профессиональные советы домашнему электрику

Устройство и принцип действия однофазного индукционного счетчика

Однофазный индукционный счетчик представляет собой измерительную ваттметровую систему. Он является интегрирующим (суммирующим) электроизмерительным прибором. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, индуктированными ими в подвижной части прибора (в диске). Блок-схема однофазного индукционного счетчика приведена на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Блок-схема однофазного индукционного счетчика

Электромеханические силы взаимодействия вызывают движение подвижной части. Алюминиевый диск может вращаться на оси 0, с которой через червячную и зубчатую передачи связан счетный механизм с цифрами, указывающими расход электроэнергии (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Однофазный индукционный счетчик

Так как счетчик должен учитывать расход электроэнергии, а он пропорционален произведению тока нагрузки I напряжения U, подведенного к нагрузке, и времени t, в течение которого нагрузка включена, то конструкция счетчика должна иметь элементы, автоматически перемножающие I, U и t. В общих чертах это достигается следующим образом. Диск счетчика в конечном итоге вращается за счет электромагнитных сил, которые создаются катушками.

Первая катушка включается в сеть последовательно и создает силу, пропорциональную току I. Вторая включается параллельно и создает силу, пропорциональную напряжению U. Поэтому частота вращения алюминиевого диска, расположенного между катушками, пропорциональна произведению U x I.

Если нагрузка равна нулю, диск неподвижен и показания, счетчика не изменяются. При нагрузке диск вращается, причем тем быстрее, чем больше нагрузка. Время t автоматически учитывается, потому что чем дольше вращается диск, тем больший путь совершается обоймами счетного механизма, а на них написаны цифры, которые видны в окошечке на крышке счетчика.

На обоймах написаны цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Обоймы закрыты щитком, и мы в его окошечках видим только по одной цифре на каждой из них. Допустим, что алюминиевый диск счетчика начинает вращаться по стрелке, когда во всех окошечках видны нули.

Наблюдая за счетчиком, мы увидим, как самый правый нуль поднимется и исчезнет, уступая место единице. Ее сменит двойка и т. д. А когда вместо девятки в окошечке снова появится нуль, то в соседнем окошечке слева окажется единица. Таким образом, полному обороту первого диска, считая справа, соответствует 1/10 оборота второго диска, полному обороту второго — 1/10 оборота третьего и т. д.

Число зубьев червячной и зубчатой передач подобрано таким образом, что счетчик отсчитывает, как правило, киловатт-часы (цифры в черных окошечках) и их доли (цифры в красном окошечке).

Принцип работы индукционного трехфазного электросчетчика

Индукционный трехфазный электросчетчик работает по тому же принципу, что и однофазный. В индукционной системе подвижная часть (диск) вращается во время потребления электроэнергии. Диск вращается за счет вихревых токов, наводимых в нем магнитным полем катушек счетчика. Магнитное поле вихревых токов взаимодействует с магнитными полями катушек счетчика.

Один из трех элементов счетчика содержит два электромагнита:

♦ токовая обмотка включена в сеть последовательно;

♦ обмотка напряжения включена в сеть параллельно.

Между этими электромагнитами расположен вращающийся алюминиевый диск. Его ось соединена:

♦ со счетным механизмом счетчика;

♦ со вторым диском, на котором установлено еще два (на две фазы) элемента.

Третий диск отсутствует, ради экономии. Протекающие по обмоткам электромагнитов токи создают магнитные потоки, под действием которых у диска появляется вращающий момент. Чем больше расходуется электроэнергии, тем больший ток в контролируемой цепи и в токовой обмотке счетчика и тем больше момент и скорость вращения диска. Трехфазные электросчетчики на напряжение 380 В применяются в основном для учета электроэнергии как на подстанциях, предприятиях, так и в индивидуальных домах и больших квартирах.

Принцип действия гибридного электронно-механического счетчика

Гибридные электронно-механические счетчики являются «помесью» механических и электрических счетчиков: цифровой интерфейс, измерительная часть электронного или индукционного типа. Они включают в себя несколько узлов:

♦ схема счетчика;

♦ блок питания;

♦ корректирующие цепи и т. д.

Блок питания преобразует переменное входное напряжение в низкое постоянное и обеспечивает питание электронных цепей счетчика. Схема счетчика измеряет ток, который потребляется нагрузкой, с помощью трансформатора тока (датчика), через который и протекает измеряемый ток. Другие блоки счетчика электроэнергии выполняют ряд различных функций: вывод показаний и управление через Ethernet, WiMax, Wi-Fi, ZeegBee сети, управление дисплеем, термокомпенсация счетчика, коррекция точности и т. п.

Счетчик состоит из микросхемы обработки, трех трансформаторов тока, цепи питания, электромеханического счетного устройства и дополнительных цепей.

В качестве регистра электроэнергии используется простое электромеханическое отсчетное устройство, в котором применен двухфазный шаговый двигатель. Электропитание счетчика обеспечивает источник, построенный на токовом трансформаторе и двухполупериодном выпрямителе.

Структура и принцип действия электронных электросчетчиков

В простейшем случае электросчетчик может быть построен на базе простейшего микроконтроллера. От простейшего электронного счетчика требуется лишь измерение импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях.

Примечание.

Получается, фактически, цифровой аналог индукционных (механический) счетчиков, рассмотренных выше.

Блок-схема простого электронного счетчика электроэнергии представлена на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Блок-схема простого электронного однофазного счетчика электроэнергии

Сигналы поступают через соответствующие трансформаторные датчики на входы микросхемы-преобразователя. С ее выхода снимается частотный сигнал, поступающий на вход микроконтроллера. Микроконтроллер складывает количество пришедших импульсов, преобразовывая его для получения количества энергии в Вт∙ч.

По мере накопления каждой единицы, значение накопленной энергии выводится на монитор и записывается во FLASH-память. Если происходит сбой, исчезновение напряжения сети, информация о накопленной энергии сохраняется в памяти.

После восстановления напряжения эта информация считывается микроконтроллером и выводится на индикатор, счет продолжается с этой величины. Этот алгоритм потребовал менее 1 Кб памяти микроконтроллера. В качестве дисплея может использоваться простейший 6-…8-разрядный 7-сегментный ЖКИ, управляемый контроллером.

В случае реализации многотарифного электросчетчика, устройство должно обеспечивать обмен информацией с внешним миром по последовательному интерфейсу. Интерфейс может использоваться для задания тарифов, включения и установки таймера времени, получения информации о накопленных значениях электроэнергии и так далее. Блок-схема многотарифного электронного электросчетчика, реализованного на микроконтроллере фирмы Motorola, представлена на рис. 10.6.

Рис 10.6. Блок-схема многотарифного электронного однофазного электросчетчика

Рассмотрим алгоритм работы многотарифного электросчетчика. Память энергонезависимого ОЗУ разбита на 13 банков, в каждом хранится информация о накопленной электроэнергии по четырем тарифам: общем, льготном, пиковом, штрафном.

В первом банке учет производятся с момента начала эксплуатации электросчетчика, следующие 12 банков соответствуют накоплениям за 11 предыдущих и за текущий месяцы. Учет за текущий месяц записываются в соответствующий банк, таким образом, имеется возможность узнать, сколько было накоплено энергии за любой из 11 последних месяцев. Перед началом работы счетчика на заводе-изготовителе обнуляют содержимое банков памяти, и накопление начинается с нулевых значений.

Смена тарифов осуществляется по временным условиям: для каждого дня недели свое тарифное расписание, то есть времена начала основного и льготного тарифов — для пикового тарифа. Шестнадцать произвольных дней в году могут быть определены как праздничные, в эти дни работает тарифное расписание как для воскресенья.

В электросчетчике может быть установлен режим ограничения по количеству израсходованной за месяц энергии и по мощности. В тех режимах счетчик фиксирует количество электроэнергии, израсходованной выше лимита. При превышении установленного лимита электроэнергии производится или переход на накопление по штрафному тарифу, или отключение пользователя от энергосети. Штрафной тариф может быть установлен принудительно (по интерфейсу связи) в случае, например, задолженности.

При включении счетчика в сеть (например, после очередного пропадания напряжения в сети) фиксируется время и дата момента для возможности контроля. Также предусмотрена запись даты несанкционированного снятия крышки счетчика.

Через особый разъем к счетчику можно подключить ридер для считывания информации с индивидуальной электронной карточки об объеме энергии, оплаченном потребителем. При исчерпании лимита счетчик может отключить потребителя от электросети.

Электросчетчик трехфазный электронный многотарифный имеет встроенный цифровой интерфейс, встроенный тарификатор.

Обеспечивает счетчик учет активной и реактивной электроэнергии в одно или многотарифном режимах суммарно по всем фазам или может осуществлять учет активной энергии по каждой фазе отдельно.

На жидко-кристаллическом дисплее индицируются:

♦ значения активной и реактивной электрической энергии;

♦ измерение мгновенных значений активной, реактивной и полной мощности по каждой фазе и по сумме фаз;

♦ измерение по каждой фазе — тока, напряжения, частоты, cos φ, углов между фазными напряжениями.

Такой электросчетчик поддерживает передачу данных измерений по силовой сети, по интерфейсам — CAN, RS-485. Может передаваться вся доступная информация. Имеется возможность программировать счетчик в режим суммирования фаз «по модулю» для предотвращения хищения электроэнергии при нарушении фазировки подключения, имеется возможность корректировать внутренние часы электросчетчика.

Такой счетчик предназначен для эксплуатации в электроустановках административных, жилых и общественных зданий, производственных помещений, коттеджей, дач, магазинов, гаражных кооперативов и т. п. при снабжении потребителей электроэнергии от трехфазной электросети.

Назад: 10.2. Выбор электросчетчика

Дальше: 10.4. Установка счетчика